CN110854208B - 一种含埋层结构的碳化硅PiN二极管 - Google Patents
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Abstract
一种含埋层结构的碳化硅PiN二极管，包括从下至上依次设置的阴极、N型碳化硅衬底、N型碳化硅外延层、P型区和金属阳极，N型碳化硅外延层内还设置有N型埋层和/或P型埋层，N型埋层位于N型碳化硅衬底上方，用于增强N型碳化硅衬底与N型碳化硅外延层边界处的电场；P型埋层位于P型区下方，用于增强P型区与N型碳化硅外延层边界处的电场。本发明通过引入P型埋层增强P型区与N型碳化硅外延层边界处的电场，通过引入N型埋层增强N型碳化硅衬底与N型碳化硅外延层边界处的电场，增强了电导调制的效果，提高了碳化硅PiN二极管正向导通电流，提高了碳化硅PiN二极管的正向导通性能。
Description
技术领域
本发明属于功率半导体器件技术领域，涉及一种含埋层结构的碳化硅PiN二极管。
背景技术
宽禁带半导体材料碳化硅(SiC)具有宽禁带宽度、高临界击穿电场、高热导率、高电子饱和速率以及热稳定性好等优点，是制作高温、高压、高频、高功率、强辐照环境下的半导体器件的理想材料。在同等条件下，碳化硅PiN二极管比硅PiN二极管具有更高的击穿电压和更低的通态电阻。碳化硅PiN二极管性能的提升源于其优越的材料特性：高临界击穿电场可以使碳化硅PiN二极管的漂移区做得更薄，掺杂也相应更大，这样不仅减小了正向导通电阻，同时也提升了开关速度；碳化硅优良的热导率，可以把碳化硅PiN二极管工作过程中产生的热量更快地扩散出去，在相同的结温下可以获得更高的功率密度；碳化硅大的禁带宽度，使得碳化硅PiN二极管在500℃时的结泄漏电流可以近似为零，从而在不产生太大泄漏电流或热耗散的情况下，允许器件在高温下正常工作。因此大功率碳化硅PiN二极管将会在功率半导体领域发挥举足轻重的作用，也将是未来功率整流器研究领域的重点，在军事和民事方面都具有非常广阔的应用前景。
传统的碳化硅PiN二极管受限于碳化硅外延材料缺陷(具有较低的少子寿命)，正向导通时的电导调制效应会降低，导通电阻增大从而使得正向电流较小，严重影响了碳化硅PiN二极管的正向导通特性，限制了其在高压大电流领域的应用。
发明内容
针对传统碳化硅PiN二极管正向电流小的问题，本发明提出一种一种含埋层结构的碳化硅PiN二极管，通过引入P型埋层5使得P型区6与N型碳化硅外延层4边界处的电场增强，通过引入N型埋层3使得N型碳化硅衬底与N型碳化硅外延层4边界处的电场增强，与传统碳化硅PiN二极管结构相比，本发明在正向导通时具有更强的电导调制效果，降低了二极管的导通电阻，减少其通态损耗，使碳化硅PiN二极管的正向特性得到了良好的改善。
本发明的技术方案为：
一种含埋层结构的碳化硅PiN二极管，包括从下至上依次设置的阴极、N型碳化硅衬底、N型碳化硅外延层、P型区和金属阳极；
所述N型碳化硅外延层内还设置有N型埋层和/或P型埋层，所述N型埋层位于所述N型碳化硅衬底上方，用于增强所述N型碳化硅衬底与所述N型碳化硅外延层边界处的电场；所述P型埋层位于所述P型区下方，用于增强所述P型区与所述N型碳化硅外延层边界处的电场。
具体的，所述N型埋层下表面与所述N型碳化硅衬底上表面的距离不超过2μm，所述P型埋层上表面与所述P型区下表面的距离不超过2μm。
具体的，所述P型埋层上表面与所述P型区下表面的距离为1μm，所述P型埋层的掺杂浓度为1018cm-3；所述N型埋层下表面与所述N型碳化硅衬底上表面的距离为1μm，所述N型埋层的掺杂浓度为1018cm-3。
具体的，所述P型区的掺杂浓度为1019cm-3，厚度为1μm；所述N型碳化硅衬底的掺杂浓度为1019cm-3；所述N型碳化硅外延层的厚度为30μm，掺杂浓度为3×1015cm-3。
具体的，所述P型埋层和N型埋层通过离子注入的方式形成，所述P型区通过外延的方式形成。
本发明的有益效果为：本发明提出一种含埋层结构的碳化硅PiN二极管，通过引入P型埋层增强P型区与N型碳化硅外延层边界处的电场，通过引入N型埋层增强N型碳化硅衬底与N型碳化硅外延层边界处的电场，增强了电导调制的效果，提高了碳化硅PiN二极管正向导通电流，提高了碳化硅PiN二极管的正向导通性能。
附图说明
图1是本发明提出的一种含埋层结构的碳化硅PiN二极管的元胞示意图。
图2是本发明提出的一种含埋层结构的碳化硅PiN二极管仿真元胞的正向电流与常规碳化硅PiN二极管仿真元胞的正向电流-电压曲线对比图。
图3是本发明提出的一种含埋层结构的碳化硅PiN二极管与常规结构碳化硅PiN二极管漂移区内的空穴浓度分布对比图。
具体实施方式
下面通过实施例，结合仿真和附图说明的方式对本发明的埋层结构碳化硅PiN二极管的优势作出进一步说明。
如图1所示，本发明提出的一种含埋层结构碳化硅PiN二极管，包括N型碳化硅衬底2，N型碳化硅衬底2下端连接有阴极1，N型碳化硅衬底2上端连接有N型碳化硅外延层4，N型碳化硅外延层4的上表面设有P型区6，P型区6上方连接有金属阳极7，P型区6与金属阳极7形成欧姆接触。
本发明提出在N型碳化硅外延层4内仅设置N型埋层3、或在N型碳化硅外延层4内仅设置P型埋层5、或在N型碳化硅外延层4内设置N型埋层3和P型埋层5这三种方式来提高碳化硅PiN二极管的正向导通性能。N型埋层3和P型埋层5设置在N型碳化硅外延层4内，P型埋层5设置在P型区6下方，N型埋层3设置在N型碳化硅衬底2上方。N型埋层3用于增强N型碳化硅衬底2与N型碳化硅外延层4边界处的电场，N型埋层3与N型碳化硅衬底2的距离不能过大，过大则无法实现增强N型碳化硅衬底2与N型碳化硅外延层4边界处电场的作用；同理，P型埋层5用于增强P型区6与N型碳化硅外延层4边界处的电场，P型埋层5与P型区6的距离也不能过大，因此本发明的埋层结构为P型浅埋层和N型深埋层。在实施例中，优选将N型埋层3下表面与N型碳化硅衬底2上表面的距离设置为不超过2μm，将P型埋层5上表面与P型区6下表面的距离设置为不超过2μm。
利用本发明提出的方案增强了N型碳化硅衬底2与N型碳化硅外延层4边界处的电场和P型区6与N型碳化硅外延层4边界处的电场，使得非平衡载流子注入增强，从而提高了二极管的少子注入效率，起到增强电导调制的效果，降低了正向导通电阻，提高了碳化硅PiN二极管正向导通电流，实现碳化硅PiN二极管正向导通性能的提高。
一些实施例中，将P型区6通过外延的方式在N型碳化硅外延层4上表面形成，将P型埋层5和N型埋层3通过离子注入的方式形成。
为了说明本发明二极管器件相较于传统PiN二极管的优势，本发明给出一种实施例，将本实施例的二极管器件与传统的不包含埋层结构的PiN二极管进行仿真对比分析。本实施例中仿真元胞结构的N型碳化硅衬底2采用N型掺杂浓度为1019cm-3的4H-SiC衬底；N型碳化硅外延层4选择厚度为30μm，掺杂浓度为3×1015cm-3；P型区6选择厚度为1μm，掺杂浓度为1019cm-3；P型埋层5上表面离P型区6下表面的距离设置为1μm，P型埋层5的掺杂浓度设置为1018cm-3；N型埋层3下表面离N型碳化硅衬底2上表面的距离设置为1μm，N型埋层3的掺杂浓度设置为1018cm-3。
图2给出了本实施例器件在施加正向偏压时的电流电压曲线，为了便于比较，图2中同时也包含了传统平面型PiN二极管的正向电流电压曲线。从图2中可以看到，本发明提出的埋层结构的应用有效提高了二极管的正向电流，正向偏压5V时的电流增益达到54.5％。
图3给出了本实施例器件与常规PiN器件在正向偏压5V时N型漂移区内的空穴浓度分布对比图，其中纵坐标是空穴浓度，横坐标是本发明提出的图1结构的碳化硅PiN二极管剖面图从上至下的距离，可以看到，本发明提出的埋层结构的应用有效增强了少子注入效率，提高了碳化硅PiN二极管在大注入下的正向导通态时漂移区内的载流子浓度，使得电导调制增强，正向电流提升。
本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种含埋层结构的碳化硅PiN二极管，包括从下至上依次设置的阴极、N型碳化硅衬底、N型碳化硅外延层、P型区和金属阳极；
其特征在于，所述N型碳化硅外延层内还设置有N型埋层和/或P型埋层，所述N型埋层位于所述N型碳化硅衬底上方且不与所述N型碳化硅衬底接触，用于增强所述N型碳化硅衬底与所述N型碳化硅外延层边界处的电场；所述P型埋层位于所述P型区下方且不与所述P型区接触，用于增强所述P型区与所述N型碳化硅外延层边界处的电场；
所述N型埋层下表面与所述N型碳化硅衬底上表面的距离不超过2μm，所述P型埋层上表面与所述P型区下表面的距离不超过2μm。
2.根据权利要求1所述的含埋层结构的碳化硅PiN二极管，其特征在于，所述P型埋层上表面与所述P型区下表面的距离为1μm，所述P型埋层的掺杂浓度为1018cm-3；所述N型埋层下表面与所述N型碳化硅衬底上表面的距离为1μm，所述N型埋层的掺杂浓度为1018cm-3。
3.根据权利要求2所述的含埋层结构的碳化硅PiN二极管，其特征在于，所述P型区的掺杂浓度为1019cm-3，厚度为1μm；所述N型碳化硅衬底的掺杂浓度为1019cm-3；所述N型碳化硅外延层的厚度为30μm，掺杂浓度为3×1015cm-3。
4.根据权利要求1至3任一项所述的含埋层结构的碳化硅PiN二极管，其特征在于，所述P型埋层和N型埋层通过离子注入的方式形成，所述P型区通过外延的方式形成。
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